Wissenschaftler der CMS-Kollaboration berichteten über die wahrscheinliche Entdeckung eines unbekannten Partikels, das in Myonen mit einer Gesamtmasse von 28 GeV zerfällt. Derzeit sagt kein theoretisches Modell die Existenz dieses Partikels voraus, aber Wissenschaftler hoffen, dass diese Anomalie nicht das Ergebnis eines statistischen Fehlers ist. Der Beobachtungsvorabdruck ist im arXiv.org-Repository verfügbar. Wir werden Ihnen ausführlich über die Studie berichten, die sich sowohl als bahnbrechende Entdeckung als auch als ein weiterer Zug herausstellen kann.
Höllenschlange
Das Compact Muon Solenoid oder CMS (Compact Muon Solenoid) ist ein großer Elementarteilchendetektor, der sich am Large Hadron Collider (LHC) befindet. Dieses riesige Gerät mit einem Durchmesser von 15 Metern und einem Gewicht von 15.000 Tonnen wurde für die Suche nach neuer Physik entwickelt - Physik jenseits des Standardmodells. Wenn das Standardmodell die Eigenschaften aller bekannten Elementarteilchen beschreibt (und einige noch nicht bestätigt wurden), versuchen Hypothesen im Rahmen der Neuen Physik, verschiedene Phänomene zu erklären, die Wissenschaftlern immer noch ein Rätsel bleiben.
Nach einer der Hypothesen - Supersymmetrie - entspricht jedes bekannte Elementarteilchen einem Superpartner mit einer schwereren Masse. Zum Beispiel ist der Partner des Elektrons, der das Fermion ist, das Selectron-Boson, und der Partner des Gluons (das das Boson ist) ist das Gluino-Fermion. Das Fehlen von Ergebnissen zur Bestätigung der Supersymmetrie hat jedoch dazu geführt, dass dieses Modell von immer mehr Wissenschaftlern aufgegeben wird.
Proton-Proton-Kollisionen finden im Detektor statt. Jedes Proton besteht aus drei Quarks, die vom Gluonenfeld zusammengehalten werden. Mit einer hohen Geschwindigkeit, vergleichbar mit der Lichtgeschwindigkeit, verwandelt sich das Gluonenfeld in eine "Suppe" von Partikeln - Gluonen. Bei einer Frontalkollision von Protonen interagieren nur wenige Quarks oder Gluonen miteinander, der Rest der Partikel fliegt ungehindert vorbei. Es finden Reaktionen statt, die viele kurzlebige Partikel produzieren, und verschiedene CMS-Detektoren zeichnen ihre Zerfallsprodukte auf, einschließlich Myonen. Myonen ähneln Elektronen, sind aber 200-mal massereicher.
Mithilfe von Detektoren außerhalb des Solenoids können Wissenschaftler die Flugbahnen von Myonen mit hoher Genauigkeit verfolgen und bestimmen, was genau das Auftreten eines bestimmten Partikels verursacht hat. Eine große Anzahl von Proton-Proton-Kollisionen ist erforderlich, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass ein seltenes Teilchen entsteht, das in Myonen zerfällt. Dies erzeugt eine astronomische Datenmenge (ungefähr 40 Terabyte pro Sekunde), und um schnell etwas Ungewöhnliches darin zu finden, wird ein spezielles Triggersystem verwendet, das entscheidet, welche Informationen aufgezeichnet werden sollen.
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Der Geist drinnen
Das CMS wurde zusammen mit dem ebenfalls am LHC befindlichen ATLAS-Detektor verwendet, um nach dem vom Standardmodell vorhergesagten Higgs-Boson zu suchen. Dieses Teilchen ist verantwortlich für die Masse der W- und Z-Bosonen (Träger der schwachen Wechselwirkung) und den Mangel an Masse im Photon und Gluon. 2012 wurde das Higgs-Boson mit einer Masse von 125 GeV entdeckt. Wissenschaftler glauben jedoch, dass es außerhalb des Standardmodells möglicherweise andere Higgs-Bosonen mit geringerer Masse gibt. Sie werden vom Zwei-Dublett-Higgs-Modell und vom NMSSM (nahezu minimales supersymmetrisches Standardmodell) vorhergesagt. Trotz aller experimentellen Tests konnten Wissenschaftler diese Hypothesen immer noch nicht beweisen oder widerlegen.
Wissenschaftler am CMS suchen nach anderen leichten exotischen Partikeln. Dazu gehören beispielsweise dunkle Photonen - Träger einer völlig neuen fundamentalen Wechselwirkung, die an das Elektromagnetische erinnern und analog zu Photonen für dunkle Materie sind. Ein weiteres hypothetisches Teilchen ist das dunkle Analogon des Z-Bosons.
Physiker haben ein Experiment durchgeführt, um Beweise für die Existenz eines leichten Bosons zu finden, das von einem Paar hübscher Quarks (b-Quarks) emittiert wird und in ein Myon und ein Anti-Myon zerfällt. Während des Experiments bei Proton-Proton-Kollisionen bei einer Energie im Schwerpunktsystem (einem System, bei dem Teilchen gleiche und entgegengesetzt gerichtete Impulse haben) von 8 TeV wurde eine Reihe von Ereignissen aufgezeichnet, die wahrscheinlich mit einem hypothetischen Boson verbunden sind.
Die erste Art von Ereignissen umfasst das Auftreten eines Strahls von B-Quarks in der Mitte des Detektors und seines vorderen Teils und die zweite - das Auftreten von zwei Strahlen in der Mitte und nicht eines einzelnen Strahls im vorderen Teil. In beiden Fällen wurde ein Überschuss der entstehenden Myonenpaare beobachtet, und die Masse der Paare erreichte, wie durch nachfolgende Analyse gezeigt, 28 GeV. Der Unterschied in der Anzahl der Myonenpaare von den Hintergrundwerten für Ereignisse der ersten Art beträgt 4,2 Standardabweichung (Sigma) und für Ereignisse der zweiten Art 2,9 Sigma.
Tod der Physik
In der Teilchenphysik weist ein Unterschied von fünf Sigma auf eine bestimmte Existenz einer Anomalie hin, die nicht zufällig entstanden sein könnte. Wenn der Unterschied jedoch im Bereich von 3 bis 5 Sigma liegt, sagen Physiker, dass dies nur auf die Existenz eines neuen Teilchens hinweist. Im letzteren Fall ist es notwendig, viel mehr Daten zu erhalten, um das Ergebnis zu bestätigen (oder zu widerlegen), um Fehler bei der Datenverarbeitung und -interpretation auszuschließen. Wenn alles bestätigt ist, können wir sagen, dass Myonen durch den Zerfall eines Teilchens der Neuen Physik entstehen.
Dies ist nicht das erste Mal, dass am LHC ein Phänomen beobachtet wurde, das nicht in das Standardmodell passt. Im Jahr 2016 kündigten Physiker die Entdeckung von Anzeichen für die Existenz einer Resonanz an, die einem massiven kurzlebigen Teilchen entspricht. Es wurde 2015 als Überschuss an Photonenpaaren mit einer Gesamtmasse von 750 GeV registriert, in die dieses Teilchen angeblich zerfällt. Mit anderen Worten, dieses Teilchen hätte sechsmal so massereich sein müssen wie das Higgs-Boson. Die Analyse der später am Collider gesammelten Daten bestätigte dieses Ergebnis jedoch nicht.
Bis jetzt haben Physiker keine verlässlichen Spuren der Existenz der Neuen Physik gefunden. Es besteht jedoch kein Zweifel, dass es existieren sollte, da das Standardmodell solche Phänomene wie das Problem der Hierarchie der Fermionmassen (ein hypothetisches Goldstone-Boson wird eingeführt, um es zu lösen), die Existenz der Masse in Neutrinos, die Asymmetrie von Materie und Antimaterie, den Ursprung der Dunklen Energie und andere nicht erklären kann. Das Vorhandensein dunkler Materie im Universum setzt eine ganze Klasse hypothetischer Teilchen mit exotischen Eigenschaften voraus, aus denen sie besteht. Paradoxerweise konnten Wissenschaftler bisher nur das erschöpfte Standardmodell experimentell bestätigen.
Einige Wissenschaftler schlagen vor, dass, wenn es möglich ist, die Neue Physik zu beweisen, dies in naher Zukunft in den nächsten Jahren geschehen sollte. Andernfalls kann ernsthaft befürchtet werden, dass die Menschheit keine bedeutenden Entdeckungen mehr machen kann. Es ist ermutigend, dass in letzter Zeit immer mehr Anomalien bei Beschleunigern festgestellt wurden, was darauf hindeutet, dass Wissenschaftler kurz vor etwas völlig Neuem stehen.
Alexander Enikeev
